zpráva zde - Laboratoř optiky

Projekt MPO v programu TANDEM
ev. č. FT-TA2/059
Název projektu:
Systémy pro generaci nedifrakčních svazků a přenos
mechanických účinků světla
Nositel projektu:
Meopta – optika, s.r.o.
Dokumentace dílčího úkolu I :
Demonstrační jednotka laserové pinzety
s prostorovým modulátorem světla
Řešitelské pracoviště:
Katedra optiky
PřF UP v Olomouci
Obsah:
1. Úvod
2. Princip činnosti dynamické holografické laserové pinzety
3. Základní pracovní jednotky systému
4. Princip prostorové modulace světla a metodika návrhu
počítačem generovaných hologramů
5. Návrh základní experimentální sestavy a parametrů optických
komponent
6. Základní pracovní funkce laserové pinzety a demonstrace
experimentálních výsledků
7. Popis uživatelského software
8. Ovládání programu Camera
1. Úvod
Dílčím úkolem, řešeným v rámci projektu FT-TA2/059 na UP v Olomouci, byl návrh a
experimentální realizace laserové pinzety, která pracuje v součinnosti s počítačem ovládaným
prostorovým modulátorem světla. Smluvně stanoveným výstupem úkolu je demonstrační
jednotka, která umožní ověření dynamicky prováděných optických manipulací ovládaných
uživatelsky přístupným software. Dokumentace, která byla k této demonstrační jednotce
zpracována, informuje o principu činnosti, metodice návrhu, pracovních funkcích a o řídícím
software realizované laserové pinzety. Dokumentace je vytvořena jako zpráva, která využívá
a komentuje dostupnou odbornou literaturu a podklady vytvořené v průběhu řešení projektu.
2. Princip činnosti dynamické holografické laserové pinzety
Laserová pinzeta je zařízení, které umožňuje zachycení a manipulaci hmotných objektů
mikrometrových, případně nanometrových rozměrů pomocí optického záření. Optická past,
ve které je částice zachycena, vyžaduje prostorovou lokalizaci elektromagnetické energie
v objemu několika kubických mikrometrů. V současné době existuje široká škála systémů,
které mají rozdílné principy, technická řešení i možnosti využití (historický vývoj a nové
trendy jsou shrnuty v [1]). Podle metod, kterými jsou optické pasti vytvářeny, lze rozlišit
několik základních typů laserové pinzety:
- laserová pinzeta s přímou fokusací světla,
- laserová pinzeta s navigací svazku,
- dynamická holografická laserová pinzeta (DHLP).
U laserové pinzety s přímou fokusací světla je optická past vytvořena pomocí laserového
svazku s gaussovským profilem intenzity, který je kolimován a následně ostře fokusován
mikroskopovým objektivem. Celá setava obvykle odpovídá invertovanému mikroskopu.
Takto vytvořená past je statická, přemístění zachycené částice vzhledem k jejímu okolí lze
provést posuvem stolku, na kterém je umístěn preparát. U systému s navigací svazku je
přemístění zachycené částice realizováno posuvem pasti. Toho je dosaženo skanováním
svazku pomocí důmyslných opticko-mechanických nebo elektro-optických systémů. DHLP,
jejíž návrh je řešen v rámci projektu, poskytuje zřejmě nejvyšší variabilitu optických
manipulací. Pro vytváření optických pastí je v tomto případě využito prostorového
modulátoru světla (PMS), který moduluje fázi vstupního laserového svazku. PMS je elektrooptický systém, který je tvořen maticí kapalných krystalů, které mohou lokálně ovlivňovat
fázi vstupního záření. Fázové změny jsou realizovány s využitím elektro-optického jevu, který
je řízen signálem z počítače. Prostorová struktura fázových změn je určena počítačem
generovaným hologramem, který je odeslán na PMS. Použití PMS pro optické manipulace
bylo poprve popsáno v práci [2]. Vzhledem k tomu, že s využitím PMS lze vytvářet v čase
proměnné optické pasti pomocí počítačem generovaných hologramů, byl pro tento systém
použit název Dynamická Holografická Laserová Pinzeta. Hlavním přínosem DHLP je
variabilita pracovních funkcí, které může při optických manipulacích zabezpečit. Jedná se
zejména o následující činnosti:
- vytváření jednoduchých pastí cíleně umístěných v 3D prostoru,
- skokové přemísťování (skanování) optické pasti s frekvencí omezenou opakovací
frekvencí PMS,
- rozštěpení vstupního svazku do libovolného počtu optických pastí s požadovaným
prostorovým rozmístěním (v praxi je počet pastí omezen výkonem svazku),
- spojité přemísťování zachyceného objektu podél požadované trajektorie,
-
možnost nezávislého tvarování jednotlivých optických pastí – mohou vznikat i vírové
struktury, které umožňují přenos orbitálního momentu hybnosti.
Nevýhody systému DHLP mají přímou souvislost s použitím PMS:
- poměrně vysoká cena (závisí zejména na typu použitého PMS),
- nízká energetická účinnost (je určena parametry použitého PMS a způsobem vytváření
počítačem generovaných hologramů).
Blokové schéma DHLP navržené a realizované v rámci projektu je znázorněno v obr. 1.
Laserové záření je upraveno optickým systémem I, který provede prostorovou filtraci a
kolimaci. Svazek je následně transformován fázovým PMS, na který je z PC odeslán
hologram zabezpečující požadované rozložení intenzity ve výstupním svazku. Optickým
systém II se provádí odstranění parazitního světla, které se objevuje v nežádoucích
difrakčních řádech vytvořených periodickou strukturou PMS. Svazek je zaveden do
invertovaného mikroskopu, který v pracovním vzorku vytváří optickou past jejíž poloha a tvar
jsou definovány hologramem vytvořeným na PMS. Živý obraz vzorku vytvořený CCD
kamerou je přenesen do PC, kde je překryt transparentním oknem uživatelského software.
Toto okno slouží pro zadání parametrů optických pastí, které mají být vytvořenÿ. Uživatelsky
orientovaný software současně slouží i k nastavení parametrů laseru a PMS.
Laser
Optický
systém I
Ovládání
parametrů
Prostorový
modulátor
světla
(PMS)
Optický
systém II
Invertovaný
mikroskop
CCD
Dynamický
přenos
hologramů
Přenos
živého
obrazu
Obr. 1 Blokové schéma dynamické holografické laserové pinzety pracující
v součinnosti s fázovým prostorovým modulátorem světla.
3. Základní pracovní jednotky systému
Systém DHLP sestává z několika podsystémů, jejichž činnost a parametry musí být vzájemně
přizpůsobeny. Za základní součásti systému lze považovat laser, kolimační optický systém,
PMS, 4-f optický systém, invertovaný mikroskop, osvětlovací systém a CCD kameru. Činnost
systému dále vyžaduje software pro vytváření fázových hologramů pro PMS a uživatelsky
orientovaný software pro řízení pracovních funkcí DHLP a ovládání parametrů laseru, PMS a
CCD kamery.
Součásti použité v demonstrační jednotce DHLP:
Laser
Vzhledem k relativně nízké účinnosti PMS je nutné jako zdroj volit laser s dostatečným
výkonem. V první etapě řešení projektu, kdy byly prováděny experimenty ověřující funkci
PMS byl využíván He-Ne laser (632 nm, 15 mW). V dalších etapách zaměřených na skutečné
zachycení a manipulaci mikročástic byl využíván laser Verdi V2 (532 nm, maximální výkon 2
W). Pro plánované experimenty byla výhodná možnost ladění výkonu laseru
(u vícenásobných optických pastí musí výkon vstupního svazku narůstat s počtem
vytvářených pastí).
Kolimační optický systém (optický systém I)
Svazek vyzářený laserem je nutné prostorově filtrovat a rozšířit tak, aby optimálně zaplnil
účinnou plochu PMS. Úprava svazku byla prováděna pomocí kompaktního prostorového
filtru Thorlabs, který sestává s mikroobjektivu a výměnné clony umístěnné na mikroposuvech.
Jako výhodnější způsob prostorové filtrace se osvědčilo navázání laserového svazku do
jednomódového vlákna. Ve spolupráci s Meoptou byl řešen osvětlovač, který využívá svazku
laserové diody. V tomto případě musí být optický systém navržen tak, aby odstranil elipticitu
a astigmatismus svazku. Základní varianty systému byly navrženy na UP v Olomouci. Hlavní
výsledky jsou uvedeny v Příloze 1 a diplomové práci [3]. Meopta-optika pak provedla návrh
systému optimalizovaný pro součinnost s generátorem nedifrakčních svazků a vyrobila
funkční vzorky osvětlovače. Svazek laserové diody symetrizovaný osvětlovačem může být
využit i pro osvětlení PMS v systému DHLP.
Fázový prostorový modulátor světla
Klíčovou součástí demonstrační jednotky DHLP je fázový PMS firmy Boulder Nonlinear
Systems . Jedná se o reflexní PMS, jehož aktivní plocha obsahuje 512x512 pixelů. Podrobné
informace o činnosti systému jsou uvedeny v [4]. Specifikace základních parametrů je v
Tab. 1. Z pohledu využití v DHLP je klíčovým parametrem PMS rozteč pixelů, která určuje
úhlový odstup jednotlivých difrakčních řádů vytvořených jeho periodickou strukturou. Ta je
tvořena transparentními buňkami kapalných krystalů oddělených pro světlo nepropustnými
oblastmi. Tato struktura tedy tvoří binární amplitudovou mřížku, na které světlo difraktuje do
směrů které jsou vzhledem ke směru dopadající vlny určeny úhly Θm = m λ/Λ, kde m=0,1,2...
je difrakční řád, λ je vlnová délka a Λ rozteč pixelů. Tento úhlový odstup vymezuje možnou
šířku úhlového spektra optického signálu, který je vytvářen PMS. Úhlová šířka spektra je
nepřímo úměrná jemnosti detailů, které signál přenáší. Rozteč pixelů tedy určuje rozlišovací
mez optického systému ve kterém je PMS použit. Podrobnější diskuse je v Roční zprávě za
rok 2006 a v diplomových pracech [5, 6], které vznikly v souvislosti s řešením projektu.
Dalším významným parametrem je difrakční účinnost v nultém řádu, která říká jaké jsou
nejmenší možné ztráty výkonu svazku při prostorové modulaci. Ty odpovídají ztrátám
vypnutého modulátoru (u použitého fázového PMS je to podle výrobce 61.5 %). Výsledná
účinnost je vždy nižší, protože další ztráty vznikají na počítačem generovaném hologramu,
který určuje požadované nastavení změny fáze na jednotlivých pixelech. Velikost ztrát je
závislá na typu hologramu. V teoretickém případě ideální blejzované fázové mřížky je její
účinnost 100 % a směruje veškerý světelný výkon do jediného difrakčního řádu (obr. 2a ).
Způsob přenesení hologramu na PMS ale vede vždy k realizaci stupňovité blejzované mřížky
(obr. 2b) jejíž účinnost je nižší a závisí na počtu fázových skoků vytvořených na periodě
mřížky. V reálných případech je tak výsledná účinnost fázového PMS přibližně 50 %.
Energetická účinnost byla diskutována na pracovních seminářích projektu (Příloha 2 a 3 této
zprávy), v práci [7] a podrobněji je rozebrána v diplomové práci [5].
Tab. 1 Parametry fázových PMS firmy Boulder Nonlinear Systems (použitý byl model P512)
Obr. 1 Fázový PMS Boulder 512x512 pixelů.
Dalším významným parametrem PMS je fázový zdvih. Ten je závislý na pracovní vlnové
délce a výrobce ho nastavuje podle požadavku uživatele. V případě PMS užívaného na
Katedře optiky UP byl nastaven maximální pracovní zdvih 2π pro vlnovou délku He-Ne
laseru 632 nm. Po zahájení experimentů s laserem Verdi V2 o vlnové délce 532 nm bylo
nutné provést kalibraci PMS. Na nastavení maximálního pracovního fázového zdvihu závisí
správná funkce a zejména energetická účinnost PMS. Podrobnější analýza vlivu změny
fázového zdvihu je v Příloze 2 a 3 a v práci [5].
(a)
(b)
(c)
Obr. 2 Znázornění difrakčních řádů, které vzniknou na: (a) ideální blejzované fázové mřížce,
(b) reálné stupňovité blejzované mřížce a (c) struktuře prázného (vypnutého)
modulátoru (odpovídá amplitudové binární mřížce).
Optický systém pro filtraci fázově modulovaného svazku (optický systém II)
Počítačem generovaný hologram přenesený na PMS způsobí požadovanou transformaci
vstupního svazku. Současně ale dochází v důsledku difrakce na periodické struktuře
k rozložení energie vstupního svazku do vedlejších difrakčních řádů které se dále nevyužívají
a je třeba je odstranit. K tomuto účelu se dá využít 4-f systém, který je znázorněn v obr. 3.
Obr. 3 Telecentrický 4-f optický systém pro filtraci fázově modulovaného laserového svazku.
Jedná se o telecentrický teleskopický systém tvořený čočkami L1 a L2, který kromě
prostorové filtrace současně umožní navedení laserových svazků rozmítaných reflexním
fázovým PMS do vstupní pupily mikroskopového objektivu MO. Vstupní laserový svazek je
PMS transformován tak, že v ohniskové rovině objektivu L1 umístěného za modulátorem
vytváří stopu, jejíž poloha je ve vymezeném zorném poli řízena parametry blejzované fázové
mřížky odeslané z PC na PMS. Objektiv L2 směruje svazek do vstupní pupily
mikroskopového objektivu, který vytváří ostře fokusovanou stopu představující optickou past
pro zachycení mikročástic. Přemísťování stopy svazku je dosaženo změnou periody Λ a
azimutální orientace blejzované fázové mřížky. Pracovní pole ve kterém se optická past může
pohybovat má rozměr ∆X x ∆X, kde ∆X závisí na rozmítacím úhlu ∆ϕ, zvětšení teleskopu Γ a
ohniskové vzdálenosti mikroskopového objektivu f’M, ∆X = |Γ| f’M ∆ϕ, kde Γ = f’1/f2.
Invertovaný mikroskop
Fázově modulovaný svazek je pomocí teleskopu zaveden do invertovaného mikroskopu
znázorněného v obr. 4. Svazek je fokusován mikroskopovým objektivem Olympus UPlanFLN
100x1,3 Oil a vytváří ve zkoumaném vzorku optickou past. Do mikroskopového objektivu
současně shora vstupuje světlo z osvětlovače, které umožňuje pozorování zachycených
objektů na CCD kameře.
Obr. 4 Schéma invertovaného mikroskopu.
Princip prostorové modulace světla a metodika návrhu počítačem generovaných
hologramů
Prostorová modulace je moderní metodou transformace světla, která má značný aplikační
potenciál. Provádí se pomocí komerčně dostupných PMS amplitudového nebo fázového typu,
jejichž účinná plocha je tvořena maticí elektro-opticky ovládaných kapalných krystalů.
Transformace svazku se provádí tak, že na jednotlivých buňkách (pixelech) se realizují změny
indexu lomu, které vedou ke změně amplitudy nebo fáze procházejícího světla. Princip
elektro-optického jevu a činnosti PMS je dokumentován v Příloze 3 a podrobně diskutován v
[5, 6]. Změny amplitudy a fáze jsou lokální - stav na každém pixelu je přesně definován
počítačem generovaným hologramem, který je na PMS odeslán z PC. Tímto způsobem lze
tvarovat intenzitní profil (amplitudový PMS) nebo vlnoplochu (fázový PMS) laserového
svazku podle předem stanoveného požadavku. Z hlediska energetické účinnosti je výhodné
používat fázový PMS. Optické schéma, které lze použít pro ověření činnosti PMS je
znázorněno v obr. 5. V PC je provedena numerická simulace požadovaného intenzitního
rozložení světla a vypočten odpovídající hologram, který je odeslán na PMS. Hologram
představuje datový soubor, který ovládací software PMS převede na příslušné nastavení
fázových změn na jednotlivých pixelech. Hologram přenesený na PMS představuje
periodickou strukturu, která v reálném případě odesílá světlo do žádoucího, nejčastětěji +1.
difrakčního řádu ale současně i do vedlejších difrakčních řádů, které je třeba odstranit filtrací
v 4-f optickém systému.
Odstranění nežádoucích
difrakčních řádů
-1
Čočka 1
PMS
0
Čočka 2
CCD
kamera
Experiment
+1
Laser
Hologram
Simulace
Obr. 5 Schéma optického systému pro ověření činnosti prostorového modulátoru světla.
Návrh hologramů pro fázový PMS v obecném případě vyžaduje použití numerických metod
založených na iteračních algoritmech. Základní kroky návrhu a přenosu hologramu
znázorňuje obr. 6. Nejčastěji užívaným postupem vytvoření základní fázové mapy je
Gerchbergův - Saxtonův algoritmus [8].
Fázový
modulátor
CCD
4 - F optický systém
Fázový hologram
PC simulace
požadovaného svazku
Iterační
algoritmus
Fázová mapa
Obr. 6 Schéma demonstrující kroky vytvoření a přenosu hologramu.
Algoritmus umožňuje najít fázovou změnu, kterou je třeba provést ve výchozí rovině na
světelném poli známé komplexní amplitudy aby v dané cílové rovině toto pole vytvořilo
požadované prostorové rozložení intenzity. Sled jednotlivých iterací algoritmu je znázorněn
v obr.7.
Vstupní
intenzita I0
Řídící fázová
mapa ϕ
Volné šíření
Cílová
intenzita I
1. iterace
I01/2 exp(iϕ
ϕ 0)
xU exp(iϕϕ )
1
přímé šíření
xV exp(iΦΦ )
0
0
zpětné šíření
I1/2 exp(iΦ
Φ0)
1
2. iterace
I01/2 exp(iϕ
ϕ 1)
x
exp(iϕ
ϕ 2)
I01/2 exp(iϕ
ϕ 2)
přímé šíření
V exp(iΦ
Φ)
x
1
1
zpětné šíření
I1/2 exp(iΦ
Φ1)
3. iterace
.....
Obr. 7 Blokové schéma iterací Gerchbergova – Saxtonova algoritmu.
Iterační proces probíhá tak, že intenzita světelného pole je po přímém šíření nahrazena
intenzitou požadovanou a po zpětném šíření intenzitou vstupního svazku. Fáze se postupně
upravuje a po N-té iteraci nastává stav, kdy intenzita po přímém šíření s dostatečnou přesností
odpovídá intenzitě požadované. Potřebná fázová změna, kterou je třeba provést při modulaci
vstupního svazku pomocí PMS pak odpovídá výchozí fázi N-té iterace ϕN. Ve většině
praktických případů algoritmus dobře konverguje, typický počet iterací je 10-15. V případě
jednoduché optické pasti s proměnnou polohou fázová mapa odpovídá blejzované fázové
mřížce s proměnnou periodou a azimutální orientací a může být určena přímým výpočtem.
Má-li být energie vstupního svazeku rozdělena do vícečetné struktury optických pastí, je
modulační funkce určena součtem fázových členů Σn exp(iϕn). Tato modulační funkce je tedy
komplexní a vyžaduje současnou amplitudovou a fázovou modulaci. Iteračním algoritmem
navrženým v [9] může být nahrazena výhodnější modulací čistě fázovou [10]. Fázovou mapu
určenou některým z uvedených postupů je nutné následně převést do formátu, který je
akceptovatelný PMS. Musí být provedena diskretizace fázové mapy na 256 úrovní v rozmezí
hodnot 0-2π. Následně je potřeba vypočtená data linearizovat pomocí kalibrační tabulky.
Výsledná matice hodnot (512 x 512 pixelů, 8 bit) je odeslána pomocí podpůrných funkcí do
paměti PMS a zobrazena na jeho pixelové struktuře. PMS umožňuje ve své paměti uchovat
1024 hologramů, které mohou být přepínány s frekvencí přibližně 1kHz. Tímto způsobem lze
vytvářet dynamické fázové masky a realizovat tak časově proměnná optická pole.
4. Návrh základní experimentální sestavy a parametrů optických komponent
Pro testování DHLP byl použit laser Verdi V2 s vlnovou délkou 532 nm a maximálním
výkonem 2 W. Navázání laserového svazku do vlákna (Thorlabs, single-mode, MDF=3.3 µm,
NA=0.13) bylo realizováno mikroskopovým objektivem s ohniskovou vzdáleností 9 mm
(NewPort 20x, NA=0.4). Vlákno sloužilo k prostorové filtraci svazku a zároveň, ve spojení
s kolimátorem na výstupu vlákna, k optimálnímu navedení svazku na PMS. Kolimace svazku
na výstupu z vlákna byla provedena jednoduchou čočkou s ohniskovou vzdáleností 50 mm a
průměr svazku byl oříznut clonou na velikost PMS. Následně byla nastavena polarizace
svazku pro správnou funkci PMS. Byl použit polarizátor (Thorlabs, lin. 10000:1) a půlvlnná
fázová destička (Eksma, zero-order). Kolimovaný svazek byl následně po dopadu na reflexní
PMS Boulder (512x512 pixelů, 7.68 x 7.68 mm2) filtrován 4-f systémem. Pro realizaci
teleskopu byly použity čočky s ohniskovými vzdálenostmi 200 mm (průměr 50 mm) a 75 mm
(průměr 25.4 mm), prostorový filtr byl realizovaný irisovou clonou umístěnou na posuvech.
Filtrovaný svazek za teleskopem byl přiveden do mikroskopového objektivu Olympus
UPLFLN 100x, NA=1.3 Oil odrazem přes dichroické zrcátko (Eksma laser-line mirror, 532
nm). Pro osvětlení preparátu byl použit halogenový zdroj, jehož světlo bylo přivedeno
světlovodem a upraveno čočkou s ohniskovou vzdáleností 25 mm. Námi použitá tubusová
čočka zobrazující obraz mikroskopického preparátu na CCD kameru měla ohniskovou
vzdálenost 200 mm. CCD kamera Logitech QuickCam USB má 640 x 480 pixelů při ploše
senzoru 3.7 x 2.8 mm2. Při daném zvětšení mikroskopu cca 110x zobrazuje kamera oblast
preparátu 34 x 25 µm2. Abychom mohli optickou past přemísťovat po celém zorném poli,
rozmítací úhel svazku za PMS musí být alespoň ± 0.25o (pro úhlopříčku), což představuje
blejzovanou mřížku s periodou 0.11 mm (8 pixelů na PMS). Pracovní rozmítací oblast je
odkloněna z nultého parazitního řádu PMS o úhel 0.5o podél delší osy, odfiltrování
nežádoucích difrakčních rádů je zaručeno. Průměr irisové clony použité ve funkci
prostorového filtru je 1.8 mm.
Pro přemísťování jednoduchých i vícenásobných optických pastí bylo vytvořeno uživatelské
rozhraní, jehož detailní funkce je popsána v příloze. Všechny parametry programu pro
výpočet masek jsou přístupné v Menu programu a lze je nastavovat se změnou experimentu.
6. Základní pracovní funkce laserové pinzety a demonstrace experimentálních
výsledků
Fotografický snímek navrženého a realizovaného systému DHLP je v obr. 8. Jako pracovní
zdroj je využíván laser Verdi V2 jehož záření je přivedeno optickým vláknem. Optimalizace
činnosti DHLP a ověřování funkce ovládacího software jsou prováděny s využitím He-Ne
laseru, jehož záření se dá na modulátor přivést jednoduchou záměnou optického vlákna.
Obr. 8 Fotografický snímek laserové pinzety s prostorovým modulátorem světla.
Celý systém byl systematicky testován v laboratoři UP v Olomouci. Pozornost byla zaměřena
na spolehlivost součinnosti laserové pinzety s fázovým PMS i na ovládání systému pomocí
uživatelského software. Základní pracovní funkce jsou demonstrovány v obr. 9-12. V režimu
vytvoření jednoduché pasti je možné provádět její přemístění v reálném čase. Je umožněno
v režimu dvoubodovém nebo průběžném. Na obr. 9 je znázorně režim dvoubodový.
Přemístění pasti je určeno počáteční a cílovou polohou, které uživatel definuje pomocí myši.
Zachycená částice je následně přesunuta podél přímočaré trajektorie.
Obr. 9 Demonstrace přemístění částice zachycené v jednoduché pasti v dvoubodovém režimu.
Přemístění jednoduché optické pasti v průběžném režimu ilustruje obr. 10. V tomto režimu
zachycená částice následuje v reálném čase myš, která vytváří požadovanou trajektorii
přemístění. Série snímků v obr. 10 demonstruje postupné přemísťování polystyrenové kuličky
podél tras naznačených šipkami. Systém DHLP umožňuje i vytvoření vícečetných optických
pastí (obr. 11). Jejich počet a umístění je ovládáno uživatelem pomocí interaktivního okna
řídícího programu. Po vytvoření vícenásobné pasti je možné kteroukoliv ze zachycených
částic přemístit podél uživatelem definované trajektorie a to buď v režimu dvoubodovém
nebo průběžném.
Realizovaná DHLP umožňuje značnou variabilitu optických manipulací. Pomocí fázového
PMS je možné provádět i nezávislé tvarování jednotlivých optických pastí. Jednou
z perspektivních pracovních funkcí je vytváření vírových optických struktur, které umožňují
přenos orbitálního momentu hybnosti na mechanické objekty mikrometrových rozměrů. Tato
situace je znázorněna v obr. 12. Vírový svazek má prstencový intenzitní profil ve kterém jsou
gradientními silami zachyceny polystyrenové kuličky. Šroubovitá fázová struktura světelného
víru způsobuje azimutální víření elektromagnetické energie jehož důsledkem je oběh částic
kolem osy svazku ve směru naznačeném šipkou.
Obr. 10 Demonstrace přemístění částice zachycené v jednoduché pasti v průběžném režimu.
Obr. 11 Demonstrace přemístění částic zachycených ve vícenásobné optické pasti.
Obr. 12 Vírová světelná past s prstencovým intenzitním profilem. Částice jsou zachyceny a
roztáčeny kolem osy svazku ve směru šipky.
7. Popis uživatelského software
Popis struktury a funkcí programu
Program pro ovládání pinzety je vytvořen jako uživatelsky orientovaná aplikace
v programovacím jazyce C++ s využitím prostředí Borland C++ Builder, který je součástí
Borland Developer Studia 2006.
Základní činnosti programu jsou orientovány v zásadě do čtyř následujících směrů:
• průběžné snímání živého obrazu preparátu v mikroskopu pomocí standardní Web
kamery,
• komunikace s laserem – zapnutí/vypnutí, ovládání výkonu,
• komunikace s modulátorem – zapnutí/vypnutí, konfigurace modulátoru pro vytváření
jedné optické pasti nebo souboru vícenásobných optických pastí,
• ovládání režimů posuvu pasti – dvoubodového a průběžného.
Pro snímání obrazu je použita Web kamera Logitech QuickCam s rozhraním USB. Přenos
obrazu kamery je realizován s využitím technologie DirectShow, která je součástí systému
Windows. Obraz kamery je překryt transparentním oknem, do kterého je vykreslována
trajektorie přesunu pasti. Toto překrytí obrazu kamery transparentním oknem zprostředkovává
interface IVideoMixingRenderer9. Lze ovládat a definovat základní parametry kamery, jako
jsou definice driveru, rozlišení kamery, definice souřadnic obrazu kamery a základní
charakteristiky transparentního okna.
Komunikace uživatelského rozhraní s laserem probíhá pomocí standardní sériové linky. Tato
komunikace pracuje v samostatném procesu, takže nebrzdí uživatelské rozhraní. Komunikace
s laserem obsahuje zapínání/vypínání laseru a nastavení jeho výkonu.
Rozhraní modulátoru je řešeno prostřednictvím dodané knihovny BNS SDK. Pro příslušnou
pozici pasti v obraze preparátu je vypočítána maska modulátoru, která je následně po načtení
do modulátoru aktivována. Krok posunu pasti je nastavitelný. V programu je integrováno
ovládání parametrů modulátoru.
Pro vlastní posuv pasti je možno využít jeden ze dvou vytvořených režimů. První z nich,
označený jako dvoubodový, spočívá v definici počátečního a koncového bodu, které tak
určují lineární trajektorii. Pro jednotlivé body této trajektorie, definované nastavitelným
krokem posunu pasti, se počítají masky modulátoru, uloží se do modulátoru a teprve následně
se provede jejich „animace“. Druhý režim, označený jako průběžný, sleduje pohyb kurzoru
myši, masky v bodech trajektorie, jejichž rozteč je opět definována krokem posunu pasti, se
vypočítávají průběžně a aktivují se ihned po vložení do modulátoru.
8. Ovládání programu Camera
Spuštění programu
Činnost laserové pinzety, která spolupracuje s prostorovým modulátorem světla, je řízena
uživatelsky orientovaným programem Camera. Spouštěcí soubor s názvem Camera.exe se
nachází v adresáři C:\ ……\Camera\bin, kde C je označení jednotky, na níž je program
instalován. Po spuštění se objeví hlavní okno aplikace (obr. 9), jehož hlavní část zaujímá
obraz preparátu, snímaný CCD kamerou, a ve spodní části okna jsou dvě tlačítka – jedno pro
spuštění a vypnutí laseru, druhé pro spuštění a vypnutí modulátoru. Při zapnutém laseru je
možné ovládat jeho výkon v editačním okně vedle tlačítka Start laseru.
Při prvním použití programu je nutno načíst driver kamery – viz položka hlavní nabídky
Nástroje->Připojit driver. Vybírá se ze seznamu driverů, které lze nalézt na daném počítači.
Pro další práci s programem je nutno zajistit spuštění laseru (může být spuštěn přímo z
ovládacího zařízení laseru, bez použití ovládání laseru programem) a modulátoru.
Ovládání pastí
Je možné vytvořit a dále pracovat se dvěma druhy pastí – s pastí dynamickou a pastmi
statickými. Pasti je možno přemísťovat. V tzv. dvoubodovém režimu se past přemísťuje po
lineární trajektorii, která se zároveň vykresluje. V průběžném režimu se past přemisťuje po
libovolné trajektorii. Režim přesunu pasti je nastavitelný.
Past dynamická se vytváří kliknutím na libovolné tlačítko myši. Past se vytvoří na pozici
kurzoru. Dynamická past je v původním nastavení programu označena červeným křížkem
(barva označení pasti je nastavitelná).
Přemístění dynamické pasti:
- Kliknutím na libovolné tlačítko myši na jiné pozici kurzoru myši v oblasti
preparátu. Past na původním místě se zruší a vytvořií se nová past na nové pozici
kurzoru.
- Kliknutím na libovolné tlačítko myši a tažením myši při stisknutém tlačítku.
Počátek trajektorie přesunu pasti je možno volit i mimo prostor pasti.
Past statická se vytváří použitím kombinace klávesy Crtl a klikem na libovolné tlačítko myši.
Opakovaným použitím této kombinace na jiné pozici kurzoru se vytvoří nova statická past –
je tedy možno v oblasti preparátu vytvářet prakticky neomezený počet statických pastí.
Statická past se ruší kombinací klávesy Alt a klikem na libovolné tlačítko myši na pozici
statické pasti. Statická past je v původním nastavení programu označena modrým křížkem
(barva označení statické pasti je opět nastavitelná).
Přesun statické pasti se provádí tažením myší (kliknutí na pozici kurzoru a přesun myši při
stlačeném tlačítku) za křížek označení statické pasti.
Nastavení programu
Nastavení programu se provádí z hlavní nabídky Nástroje->Nastavení. Jsou k dispozici čtyři
karty:
Karta Kamera
V boxu Driver se vybírá driver CCD kamery a nastavuje požadované rozlišení. V původním
nastavení programu se automaticky volí maximální rozlišení kamery.
V boxu souřadnice se definují souřadnice zobrazené oblasti preparátu. Zadává se poloha
levého dolního a pravého horního rohu požadované oblasti ve zvolených jednotkách (editační
okno Jednotka). Přesnost zadávaných souřadnic je definována v editačním okně Desetinných
míst.
V posledním boxu Zobrazení a barvy se volí Stupeň průhlednosti okna, které překrývá
preparát a ve kterém se provádí všechna vykreslování programem. Průhlednost okna se volí
posuvníkem Průhlednost. Dále je možno volit barvy pro vykreslování lineární trajektorie
(pole Trajektorie) a barvy křížků pro označení Statické a dynamické pasti (pole Trvalé pasti a
Dočasná past). Kliknutím myší na barevná pole se zobrazí Windows dialog pro volbu barev.
Karta Laser
Zadávají se dva údaje sdružené v boxu Komunikace. Volí se sériový port, přes která je
ovládání laseru připojeno (editační okno Port) a rychlost komunikace (editační okno Baud
rate).
Karta Modulátor
Data v boxu Parametry doporučujeme neměnit, jsou dány reálnými parametry použitého
modulátoru.
V boxu Souřadnice se definuje velikost fiktivní oblasti pro výpočet pro výpočet masek
modulátoru. Pomocí definice této oblasti se synchronizuje modulátor s velikostí reálného
preparátu. Nastavení závisí na parametrech optických soustav zařízení pinzety. Běžnému
uživateli se nedoporučuje hodnoty v tomto boxu měnit.
V dolní boxu Režim se volí režim posunu pasti – dvoubodový nebo průběžný. Změna se
provádí označením příslušného režimu myší.
Karta Parametry
Doporučují se pokud možno minimální zásahy v boxu Parametry masky. V editačních oknech
se zde zadávají parametry jako jsou vlnová délka použitého laseru, hodnoty zvětšení v osách x
a z (položky Mx, My), jejichž hodnoty souvisí se zadanými souřadnicemi v boxu Souřadnice
na kartě Modulátor, X odklon a Y odklon definují difrakční řád pracovní oblasti modulátoru.
Položky Transponování, Zrcadlení X a Zrcadlení Y zajišťují korespondující matematické
operace s maticí masky modulátoru. Linearizační tabulka je definována použitým
modulátorem.
V boxu Parametry přesunu se v příslušných editačních oknech volí délka kroku posunu pasti
po zvolené trajektorii (okno Délka kroku), časová prodleva mezi kroky posunu pasti (okno
Prodleva mezi kroky) a v okně Prodleva mezi přepínáním masky se zadává časový údaj,
potřebný k zajištění stability programu. Tyto údaje může zadávat běžný uživatel, může být
prospěšné odzkoušet několik hodnot při konkrétní práci s preparátem.
Literatura
1. P. Zemánek, P. Jákl, J. Ježek, M. Šerý, V. Karásek, T. Čižmár a M. Šiler, Laboratoř
optických mikromanipulačních technik ÚPT AV ČR, JMO 1, 7 (2006).
2. J. E. Curtis, B. A. Koss, and D. G. Grier, Dynamic holographic optical tweezer, Opt.
Commun. 207, 169 (2002).
3. J. Květoň, Experimentální realizace symetrizace svazku laserové diody, Diplomová
práce UP Olomouc (2007).
4. http://www.bnonlinear.com/.
5. Z. Doležel, Teoretické a experimentální posouzení energetické účinnosti prostorových
modulátorů světla, Diplomová práce UP Olomouc (2007).
6. F. Chlup, Metody pro ovládání amplitudových a fázových modulátorů světla,
Diplomová práce UP Olomouc (2007).
7. Z. Bouchal., R. Čelechovský, G. Swartzlander, Jr., Spatially Localized Vortex
Structures, Monograph Localized Waves, Edited by H. E. Hernández-Figueroa, M.
Zamboni-Rached and E. Recami, J. Wiley & Sons (2008) (ISBN: 978-0-470-10885-7).
8. R. W. Gerchberg and W. O. Saxton, A practical algorithm for the determination of the
phase from image and diffraction plane pictures, Optik 35, 237 (1972).
9. J. Lin, X. C. Yuan, S. H. Tao, and R. E. Burge, Collinear superposition of multiple
helical beams generated by a single azimuthally modulated phase-only element, Opt.
Lett. 30, 3266-8 (2005).
10. R. Čelechovský, Z. Bouchal, Optical implementation of the vortex information
channel, New J. Phys. 9, 1367 (2007).